工业机器人论文

摘要：机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，当前对机器人技术的研究十分活跃。工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人，自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。焊接机器人目前已广泛应用在汽车制造业，汽车底盘、座椅骨架、导轨、消声器以及液力变矩器等焊接，尤其在汽车底盘焊接生产中得到了广泛的应用。焊接机器人在制造业将成为主流。

关键词：焊接机器人、发展历程、点焊机器人、弧焊机器人、发展趋势与展望、遥控焊接技术

Abstract：Robotics is a combination of computer, control theory, organization, information and sensor technology, artificial intelligence, bionics and other subjects and the formation of high-tech, current research on robotics is very active. Is the field of industrial robots for industrial multi-joint or multi-degree of freedom robot manipulator, automatic implementation of mechanical devices, depending on their ability to achieve power and control various functions of a machine. Welding robot has been widely used in automobile manufacturing, automobile chassis, seat frames, rails, muffler, and the torque converter, such as welding, especially in the car chassis welding production has been widely used. Welding robots in the manufacturing sector will become the mainstream. Keywords: welding robot, the development process, welding robots, welding robot, trends and prospects,remote welding technology. 工业机器人的发展历程

自1954 年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念以来，工业机器人就得以不断地发展。概括起来，工业机器人的发展历程为3 代：

第1 代：示教再现型机器人，但不具备反馈能力。挖掘机手柄自动操作机构，该机构结构简单，能够实现动作示教再现。

第2 代：有感觉的机器人，不仅具有内部传感器，而且具有外部传感器， 能获得外部环境信息。蛇形机器人就装有内部测转速的传感器，以及外部测力的传感器，该机器人能够在不规则环境中具有一定的运动能力。

第3 代：智能机器人。定义为“可自动控制的装置，能理解指示命令，感知环境，识别对象，规划自身操作程序来完成任务”。采用实时可适应性的运动规划（RAMP）算法的PUMA560 机械臂，它能在复杂动态环境中自动识别来自不同方向的移动或

静止的障碍物，主动规划路径，进而完成预定任务。

焊接机器人是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人。根据国际标准化组织（ISO）工业机器人术语标准焊接机器人的定义，工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机（Manipulator），具有三个或更多可编程的轴，用于工业自动化领域。为了适应不同的用途，机器人最后一个轴的机械接口，通常是一个连接法兰，可接装不同工具或称末端执行器。焊接机器人就是在工业机器人的末轴法兰装接焊钳或焊（割）枪的，使之能进行焊接，切割或热喷涂。 组成

焊接机器人主要包括机器人和焊接设备两部分。机器人由机器人本体和控制柜（硬件及软件）组成。而焊接装备，以弧焊及点焊为例，则由焊接电源，（包括其控制系统）、送丝机（弧焊）、焊枪（钳）等部分组成。对于智能机器人还应有传感系统，如激光或摄像传感器及其控制装置等。图1a、b表示弧焊机器人和点焊机器人的基本组成

结构形式及性能

世界各国生产的焊接用机器人基本上都属关节机器人，绝大部分有6个轴。其中，1、2、3轴可将末端工具送到不同的空间位置，而4、5、6轴解决工具姿态的不同要求。焊接机器人本体的机械结构主要有两种形式：一种为平行四边形结构，一种为侧置式（摆式）结构，如下图所示。侧置式（摆式）结构的主要优点是上、下臂的活动范围大，使机器人的工

作空间几乎能达一个球体。因此，这种机器人可倒挂在机架上工作，以节省占地面积，方便地面物件的流动。但是这种侧置式机器人，2、3轴为悬臂结构，降低机器人的刚度，一般适用于负载较小的机器人，用于电弧焊、切割或喷涂。平行四边形机器人其上臂是通过一根拉杆驱动的。拉杆与下臂组成一个平行四边形的两条边。这种结构不仅适合于轻型也适合于重型机器人。近年来点焊用机器人（负载100～150kg）大多选用平行四边形结构形式的机器人。机器人各个轴都是作回转运动，故采用伺服电机通过摆线针轮（RV）减速器（1～3轴）及谐波减速器（1～6轴）驱动。由于交流电机没有碳刷，动特性好，使新型机器人不仅事故率低，而且免维修时间大为增长，加（减）速度也快。一些负载16kg以下的新的轻型机器人其工具中心点（TCP）的最高运动速度可达3m/s以上，定位准确，振动小。同时，机器人的控制柜也改用32位的微机和新的算法，使之具有自行优化路径的功能，运行轨迹更加贴近示教的轨迹。

点焊机器人的基本功能

点焊机器人的典型应用领域是汽车工业。一般装配每台汽车车体大约需要完成 3000 —4000 个焊点，而其中的 60 ％是由机器人完成的。在有些大批量汽车生产线上，服役的机器人台数甚至高达 150 台。汽车工业引入机器人已取得了下述明显效益：改善多品种混流生产的柔性；提高焊接质量：提高生产率；把工人从恶劣的作业环境中解放出来。今天，机器人已经成为汽车生产行业的支柱。 最初，点焊机器人只用于增强焊点作业 ( 往已拼接好的工件上增加焊点 ) 。后来，为了保样，点焊机器人逐渐被要求具有更全的作业性能。具体来说有：安装面积小，工作空间大：快速完成小节距的多点定位。点焊对所用的机器人的要求是不很高的。因为点焊只需点位控制，至于焊钳在点与点之间的移动轨迹没有严格要求。这也是机器人最早只能用于点焊的原因。点焊用机器人不仅要有足够的负载能力，而且在点与点之间移位时速度要快捷，动作要平稳，定位要准确，以减少移位的时间，提 高工作效率。点焊机器人需要有多大的负载能力，取决于所用的焊钳形式。但是，这种焊钳一方面由于二次电缆线长，电能损耗大，也不利于机器人将焊钳伸入工件内部焊接；另一方面电缆线随机器人运动而不停摆动，电缆的损坏较快。因此，目前逐渐增多采用一体式焊钳。这种焊钳连同变压器质量在70kg左右。考虑到机器人要有足够的负载能力，能以较大的加速度将焊钳送到空间位置进行焊接，一般都选用100～150kg负载的重型机器人。为了适应连续点焊时焊钳短距离快速移位的要求。新的重型机器人增加了可在0.3s内完成50mm位移的功能。这对电机的性能，微机的运算速度和算法都提出更高的要求。

控制器工作原理图

点焊机器人及其系统的基本构成

(1) 点焊机器人的结构形式 点焊机器人虽然有多种结构形式，但大体上都可以分为 3 大组成部分，即机器人本体、点焊焊接系统及控制系统。目前应用较广的点焊机器人，其本体形式为直角坐标简易型及全关节型。前者可具有 1 ～ 3 个自由度，焊件及焊点位置受到限制；后者具有 5 ～ 6 个自由度，分 DC 伺服和 AC 伺服两种形式，能在可到达的工作区间内任意调整焊钳姿态，以适应多种形式结构的焊接。

点焊机器人控制系统由本体控制部分及焊接控制部分组成。通过改变主电路晶闸管的导通角而实现焊接电流控制。

(2) 点焊机器人焊接系统 焊接系统主要由焊接控制器、焊钳 ( 含阻焊变压器 ) 及水、电、气等辅助部分组成，系统原理，如图 14 所示。

1) 点焊机器人焊钳点焊机器人焊钳从用途上可分为 C 形和 X 形两种。 C 形焊钳用于点焊垂直及近于垂直倾斜位置的焊缝： X 形焊钳则主要用于点焊水平及近于水平倾斜位置的焊缝。

从阻焊变压器与焊钳的结构关系上可将焊钳分为分离式、内藏式和一体式 3 种形式。

a ．分离式焊钳 该焊钳的特点是阻焊变压器与钳体相分离，钳体安装在机器人手臂上，而焊接变压器悬挂在机器人的上方，可在轨道上沿着机器人手腕移动的方向移动，二者之间用二次电缆相连。其优点是减小了机器人的负载，运动速度高，价格便宜。

一体式焊钳点焊机器人

焊接控制器 控制器由 Z80CPU 、 EPROM 及部分外围接口芯片组成最小控制系统，它可以根据预定的焊接监控程序，完成点焊时的焊接参数输入，点焊程序控制。焊接电流控制及焊接系统故障自诊断，并实现与本体计算机及手控示教盒的通信联系。常用的点焊控制器主要有 3 种结构形式。

a ．中央结构型 它将焊接控制部分作为一个模块与机器人大体控制部分共同安排在一个控制柜内，由主计算机统一管理并为焊接模块提供数据，焊接过程控制由焊接模块完成。

b ．分散结构型 分散结构型是焊接控制器与机器人本体控制柜分开，二者采用应答式通信联系，主计算机给出焊接信号后，其焊接过程由焊接控制器自行控制，焊接结束后给主机发出结束信号，以便主机控制机器人移位，其焊接循环如下图所示。焊接控制器与本体及示教蜕简的联系信号主要有焊钳大小行程、焊接电流增/减号，焊接时间增减、焊接开始及结束，焊接系统故障等。

点焊机器人焊接循环

T1 - 焊接控制器控制 T2 - 机器人主控计算机控制 T - 焊接周期 F - 电级压力 I - 焊接电流

c ．群控系统 群控就是将多台点焊机器人焊机 ( 或普通焊机 ) 与群控计算机相连，以便对同时通电的数台焊机进行控制，实现部分焊机的焊接电流分时交错，限制电网瞬时负载，稳定电网电压保证焊点质量。为了适应群控的需要，点焊机器人焊接系统都应增加“焊接请求”及“焊接允许”信号，并与群控计算机相连。

(3) 新型点焊机器人系统 最近，点焊机器人与 CAD 系统的通信功能变得重要起来，这种 CAD 系统主要用来离线示教。 (4) 点焊机器人对焊接系统的要求

1) 应采用具有浮动加压装置的专用焊钳，也可对普通焊钳进行改装。焊钳重量要轻，可具有长、短两种行程·，以便于快速焊接及修整、更换电极、跨越障碍等。

2) 一体式焊钳的重心应设计在固定法兰盘的轴心线上。

3) 焊接控制系统应能对阻焊变压器过热、晶闸管过热飞晶闸管短路断路、气网失压、电网电压超限、粘电极等故障进行自诊断及自保护，除通知本体停机外，还应显示故障种类。

含 CAD 系统的点焊机器人系统 弧焊机器人的基本功能

弧焊过程比点焊过程要复杂得多，工具中心点（TCP），也就是焊丝端头的运动轨迹、焊枪姿态、焊接参数都要求精确控制。所以，弧焊用机器人除了前面所述的一般功能外，还必须具备一些适合弧焊要求的功能。虽然从理论上讲，有5个轴的机器人就可以用于电弧焊，但是对复杂形状的焊缝，用5个轴的机器人会有困难。因此，除非焊缝比较简单，否则应尽量选用6轴机器人。弧焊机器人应具备不同摆动样式的软件功能，供编程时选用，以便作摆动焊，而且摆动在每一周期中的停顿点处，机器人也应自动停止向前运动，以满足工艺要求。此外，还应有接触寻位、自动寻找焊缝起点位置、电弧跟踪及自动再引弧功能等。 1 弧焊机器人概述

1) 弧焊机器人的应用范围 弧焊机器人的应用范围很广，除汽车行业之外，在通用机械、金属结构等许多行业中都有应用。弧焊机器人应是包括各种焊接附属装置在内的焊接系统，而不只是一一台以规划的速度和姿态携带焊枪移动的单机。下图1为焊接系统的基本组成，图 2 为适合机器人应用的弧焊方法。

2) 弧焊机器人的作业性能 在弧焊作业中，要求焊枪跟踪工件的焊道运动，并不断填充金属形成焊缝。因此，运动过程中速度的稳定性和轨迹精度是两项重要的指标。一般情况下，焊接速度约取 5 ～ 50mm／s 、轨迹精度约为 i 0.2 ～ 0.5mm 。由于焊枪的姿态对焊缝质量也有一定影响，因此希望在跟踪焊道的同时，焊枪姿态的可调范围尽量大。作业时，为了得到优质焊缝，往往需要在动作的示教以及焊接条件 ( 电流、电压、速度 ) 的设定上花费大量的劳力和时间。

图1 弧焊机器人系统的基本组成 3) 弧焊机器人的分类 从机构形式划分，既有直角坐标型的弧焊机器人，也有关节型的弧焊机器人。对于小型、简单的焊接作业，机器人有 4 、5 轴即可以胜任了，对于复杂工件的焊接，采用 6 轴机器人对调整焊枪的姿态比较方便。对于特大型工件焊接作业，为加大工作空间，有时把关节型机器人悬挂起来，或者安装在运载小车上使用。

图 2为适合机器人应用的弧焊方法 弧焊机器人系统的构成

弧焊机器人可以被应用在所有电弧焊、切割技术范围及类似的工艺方法中。最常用的应用范围是结构钢和 CT Ni 钢的熔化极活性气体保护焊 (C02 气体保护焊、 MAG 焊 ) ，铝及特殊合金熔化极惰性气体保护焊 (MIG) ，Cr Ni 钢和铝的加冷丝和不加冷丝的钨极惰性气体保护焊 (TIG) 以及埋弧焊。除气割、等离子弧切割及等离子弧喷涂外还实现了在激光切割上的应用。前面提过一套完整的弧焊机器人系统，它包括机器人机械手、控制系统、焊接装置、焊件夹持装置。夹持装置上有两组可以轮番进入机器人工作范围的旋转工作台。

(1) 弧焊机器人基本结构 弧焊用的工业机器人通常有 5 个自由度以上，具有 6 个自由度的机器人可以保证焊枪的任意空间轨迹和姿态。图 3为典型的弧焊机器人的主机简图。点至点方式移动速度可达 60m ／min 以上，其轨迹重复精度可达到 +0.2mm ，它们可以通过示教和再现方式或通过编程方式工作。这种焊接机器人应具有直线的及环形内插法摆动的功能。如图 4 的 6 种摆动方式，以满足焊接工艺要求，机器人的负荷为 5kg 。

图 3 典型弧焊机器人的主机简图

图 4弧焊机器人的 6 种摆动方式

a) 直线单摆 b) L形 c) 三角形 d) U形 e) 台形 f) 高速圆弧摆动

弧焊机器人的控制系统不仅要保证机器人的精确运动，而且要具有可扩充性，以控制周边设备确保焊接工艺的实施。

(2) 弧焊机器人周边设备 弧焊机器人只是焊接机器人系统的一部分，还应有行走机构及小型和大型移动机架。通过这些机构来扩大工业机器人的工作范围，同时还具有各种用于接受、固定及定位工件的转胎、定位装置及夹具。在最常见的结构中，工业机器人固定于基座上 ，工件转胎则安装于其工作范围内。所有这些周边设备其技术指标均应适应弧焊机器人的要求。即确保工件上的焊缝的到位精度达到 +0．2mm 。以往的周边设备都达不到机器人的要求。为了适应弧焊机器人的发展，新型的周边设备由专门的工厂进行生产。

焊枪

固定如图：

焊枪分别绕Y 轴和Z 轴先后旋转α 和β 角度到达图示黑线所示位置。α 和β 在各自的范围内变动从而引起焊枪末端点WL 在服务球的球面上到达不同的点，若假定焊枪不绕自身轴线旋转，则每一组α 和β 值确定一个焊枪的姿态。对于此焊接机器人若每一组α 和β 对应的焊枪末端点WL在服务球球冠上存在运动学逆解，就称该点为球冠上的可达点。所有可达点的集合所组成的区域称为服务 区，服务区的面积与整个球冠面积的比值称为点WL的灵活度，而将灵活度为1 的所有工作空间中的点的集合称为灵活工作空间。由于α 和β 的值可以确定焊枪的姿态，因此当α 和β 分别变化时，将每一组α 和β 的值所对应的焊枪末端

点WL求逆解，若逆解存在则称此位姿可达，记为D ( α，β) = 1; 若逆解不存在则称此位 姿不可达，记为D ( α，β) = 0。在焊接工业机器人中，当α 转角范围为［－ π/2，π/2］，β 转角范围为［0，2π］，此时定义机器人工作空间内任意一点的灵活度为:

公式中D( α，β) 定义如上所述，a 为当β 保持不变α

在自身范围内变动所取得的点数，b 为α保持不变β 在自身范围内变化时所取得的点数。若工作空间内一点，对每一组α 和β 所对应的位姿机器人都存在逆解，则机器人在该点的

灵活度为1。由于受到机器人关节转角范围及机械结构的限制，机器人工作空间内灵活度为1 的点很少，因此机器人的灵活工作空间就很小，而灵活工作空间的大小由机器人工作空间和焊枪的长度决定。又由于焊枪的长度是一定的，要使机器人在一定工作范围内具有更大的灵活工作空间，必须加大机器人的工作空间，这样就使得机器人的结果尺寸变得很大，带来许多问题［4］。当知道满足焊接工作要求的α和β 具体范围时，根据灵活度计算公式就能计算机器人工作空间任意点的灵活度，并且定义灵活度大于0． 95 的工作空间内的所有点构成的工作空间为灵活工作空间。机器人腕点工作空间图已由仿真得出（下图），由于腕关节的影响，机器人焊枪焊头的实际工作空间要比腕点的工作空间大，但是多出的工作空间的灵活性很小可以略去不计，因此取焊枪焊头的工作空间与腕点工作空间仿真结果相同。机器人的灵活工作空间就是求腕点工作空间仿真图中灵活度大于0． 95 的所有的点构成的空间。

机器人腕点工作空间图

遥控焊接技术的研究

遥控焊接是指人在离开现场的安全环境中对焊接设备和焊接过程进行远程监视和控制,从而完成完整的焊接工作。在核电站设备的维修、海洋工程建设以及未来的空间站建设中都要用到焊接,这些环境中的焊接工作不适合人类亲临现场,而目前的技术水平还不可能实现完全的自主焊接,因此需要采用遥控焊接技术。目前美国、欧洲、日本等国对遥控焊接进行了深入的研究，国内哈尔滨工业大学也正在进行这方面的研究。

发展趋势与展望

焊接机器人作为焊接自动化的一个重要载体必将在我国得到更加广泛的应用，而焊缝跟踪是弧焊机器人应用的一个重要的研究方向。在各种传感方法中视觉传感是很有前途的传感方法，其中被动视觉传感因为具有较多优点，将成为一个研究热点。

为了适应工业生产系统向大型、复杂、动态和开放方向发展的需要，发达国家都在加大力度，对机器人技术进行深入研究。从技术发展趋势看，智能化控制技术将是焊接机器人技术发展的主要方向。

焊接机器人在高质量、高效率的焊接生产中，发挥了极其重要的作用。工业机器人技术的研究、发展与应用，有力地推动了世界工业技术的进步。近年来，焊接机器人技术的研究与应用在焊缝跟踪、信息传感、离线编程与路径规划、智能控制、电源技术、仿真技术、焊接工艺方法、遥控焊接技术等方面取得了许多

突出的成果。随着计算机技术、网络技术、智能控制技术、人工智能理论以及工业生产系统的不断发展，焊接机器人技术领域还有很多亟待我们去研究的问题，特别是焊接机器人的视觉控制技术、模糊控制技术、智能化控制技术、嵌入式控制技术、虚拟现实技术、网络控制技术等将是未来研究的主要方向。

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江苏大学京江学院

工业机器人论文 —焊接机器人

专业班级：J机电0802

姓 名：邵南南 学 号：3081102050